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遭遇横风时高墩高架上的地铁车辆运行安全性

华侨大学学报（自然科学版） 2019年第4期40卷 421-428页

作者：李军张云飞高健博重庆交通大学机电与车辆工程学院重庆400074 重庆交通大学城市轨道交通车辆系统集成与控制重庆市重点实验室重庆400074

首先,基于山区城市地铁线路条件,建立风区横风-车辆-高墩桥梁模型;然后,选取计算参数并确定评价指标,对风-车-桥系统的特性进行分析;最后,对车速及风速的影响规律和安全阈值进行研究.结果表明:风区条件和高墩条件不可忽视;横风引起车、... 详细信息

首先,基于山区城市地铁线路条件,建立风区横风-车辆-高墩桥梁模型;然后,选取计算参数并确定评价指标,对风-车-桥系统的特性进行分析;最后,对车速及风速的影响规律和安全阈值进行研究.结果表明:风区条件和高墩条件不可忽视;横风引起车、梁及墩的剧烈振动,由于高墩稳定性较差,加剧车辆运行的不稳定性;车-桥系统响应随风速显著增加,且随车速出现波动;当标准高度风速达到21.4m·s^-1时,已无法保证车辆以最高时速运行.

关键词：地铁车辆横风高墩高架地铁线路山区城市车辆-轨道-桥梁耦合振动

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横风对涡环旋转伞系统运动的影响

航天返回与遥感 2015年第5期36卷 1-9页

作者：马晓冬刘荣忠郭锐吕胜涛南京理工大学机械工程学院智能弹药技术国防重点学科实验室南京210094

涡环旋转伞是一种常见的旋转降落伞,下落运动过程受横风的影响严重。基于伞塔实验的高速摄影和图像处理技术,提取涡环旋转伞系统水平和竖直方向的弹道数据点,结合弹道模型,利用遗传算法对气动力参数进行识别。文章分析了横风对涡环旋转... 详细信息

涡环旋转伞是一种常见的旋转降落伞,下落运动过程受横风的影响严重。基于伞塔实验的高速摄影和图像处理技术,提取涡环旋转伞系统水平和竖直方向的弹道数据点,结合弹道模型,利用遗传算法对气动力参数进行识别。文章分析了横风对涡环旋转伞系统弹道特性的影响,结果表明:涡环旋转伞的轴向力系数为1.02,大于一般其他类型伞;涡环旋转伞系统在横风作用下能很快达到稳定;横风对系统运动轨迹的影响较大,对落速和转速的影响较小。

关键词：涡环旋转伞伞塔实验图像处理横风降落伞

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定常横风作用下高速列车的安全性分析

科学技术与工程 2014年第8期22卷 75-82页

作者：刘玉标张营营邢云林孙振旭杨国伟中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室北京100190

基于空气动力学理论,建立高速列车空气动力学模型,计算不同运行速度下高速列车在明线运行和明线横风场景下的气动力荷载。同时采用多体系统动力学理论,建立车辆多体动力学仿真模型。将气动荷载导入车辆仿真模型,计算在无横风和有横风条... 详细信息

基于空气动力学理论,建立高速列车空气动力学模型,计算不同运行速度下高速列车在明线运行和明线横风场景下的气动力荷载。同时采用多体系统动力学理论,建立车辆多体动力学仿真模型。将气动荷载导入车辆仿真模型,计算在无横风和有横风条件下,列车以不同速度行驶时的车辆动力学响应及其安全性指标。获得在无横风和有横风条件下高速列车运行安全性随速度的变化规律。研究结果表明,横风作用将对列车的安全运行构成极大的威胁。参照有关高速列车运行安全性评定标准,给出15 m/s横风风速下高速列车安全运行的速度限值。

关键词：高速列车明线横风气动荷载速度限值安全性

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横风作用下车辆运行安全性简化方法的研究

横风作用下车辆运行安全性简化方法的研究

作者：钱科元西南交通大学

学位级别：硕士

近年来极端异常天气常常出现,随着我国列车运行速度不断地提高,车辆在受横风作用运行时的安全性也逐渐凸显,尤其车辆在具有特殊地形地貌区域(如兰新线、沿海地区)运行时,即使车辆运行速度不高(100km/左右),车辆受横风作用也容易发生倾... 详细信息

近年来极端异常天气常常出现,随着我国列车运行速度不断地提高,车辆在受横风作用运行时的安全性也逐渐凸显,尤其车辆在具有特殊地形地貌区域(如兰新线、沿海地区)运行时,即使车辆运行速度不高(100km/左右),车辆受横风作用也容易发生倾覆、脱轨现象,造成重大人员伤亡、财产损失,因此研究车辆在横风作用下运行安全性有现实需求。本文通过查找大量文献,总结目前研究车辆在横风作用下运行安全性的常用方法。研究方法可大致分为风洞实验、现场实验为主的实验法和计算流体动力学(CFD)、多体动力学仿真法,这两类方法均已运用到我国高速列车运行安全性的研究,很好的指导了我国高速列车及线路的设计。但实践表明,中低速运行列车在遇突发的强烈横风时也会发生倾覆、脱轨事故,本文通过对国外标准GM/RT2142(英国标准)、EN14067(欧洲标准)以及AS7509.1(澳大利亚标准)进行介绍,探究一种低成本可靠的评估在横风作用下,车辆中低速运行安全性的简化评价方法。首先介绍标准GM/RT2142中的风向角—侧翻风速曲线评价车辆在横风作用下的运行安全性的计算方法,针对某设计时速为160km/h动力车,采用单一变量法对该标准中的参数进行定性、定量计算分析,研究发现:该标准体现出电机悬挂方式对机车车辆抗倾覆能力的影响较小;对某动力车而言,轴重每増加5%,面积A、高度H每减少5%车辆临界倾覆风速分别提高1.13、1.83、2.1m/s;改变机车车辆屋顶轮廓外形是提高机车车辆抗倾覆能力最有效的方法。其次探究标准EN14067中简化分析车辆在横风作用下运行安全性的方法,推导出三质量模型的力矩平衡公式,公式表明若未平衡力方向和横风风向同向,车辆所受气动倾覆力矩较大,车辆运行时更容易被倾覆;采用标准中的预测公式和三质量模型,利用MATLAB绘制了国内某时速160km/h动力车的风特性曲线,评估该车辆的运行速度限值,动力车过曲线遇到恶劣的横风时,动力车降速运行不一定能够确保车辆安全运行,建议应及时调整车辆运行速度到均衡速度附近,可以保证运行安全。最后利用SIMPACK软件建立多体动力学模型,按照AS7509.1标准中,施加最大气动倾覆力矩模拟风载,采用转向架倾覆系数评价该动力车运行安全性。分析表明该动力车运行速度达到250km/h时,倾覆系数不超标。另外研究横风方向对垂向力、轮重减载率动力学指标的影响,结果发现,未平衡力和风向同向会恶化垂向动力学指标,结论可用于曲线线路段指导挡风墙设置,且仿真结果进一步验证了前面简化方法分析的结论。

关键词：机车车辆抗倾覆能力横风标准简化方法

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横风下高速列车悬挂系统参数优化设计

横风下高速列车悬挂系统参数优化设计

作者：周鹏西南交通大学

学位级别：硕士

随着高速铁路的快速发展,高速列车的运行速度得到显著提高,随之而来的列车运行安全性问题也越来越明显。高速列车悬挂系统动力学参数变化会影响列车的运行安全性,特别是在横风环境下。本文结合计算流体力学和多体系统动力学理论,分析横... 详细信息

随着高速铁路的快速发展,高速列车的运行速度得到显著提高,随之而来的列车运行安全性问题也越来越明显。高速列车悬挂系统动力学参数变化会影响列车的运行安全性,特别是在横风环境下。本文结合计算流体力学和多体系统动力学理论,分析横风环境下列车悬挂系统动力学参数变化对列车运行安全性的影响,以及构建横风下列车悬挂系统参数优化模型,开展高速列车横风下运行安全性的单目标优化、多目标优化以及多工况多目标优化。主要内容包含以下几个方面:(1)建立高速列车多体系统动力学模型,研究动力学参数变化对列车运行安全性的影响。计算结果表明二系空气弹簧垂向刚度变化对横风下列车运行安全性影响较大,脱轨系数、轮重减载率、轮轨垂向力以及轮轴横向力均随着二系空气弹簧垂向刚度的增加而减少。(2)建立横风下列车悬挂系统动力学参数优化模型,以脱轨系数为优化目标,分析不同单目标优化算法的计算结果,得到基于MIGA全局探索和DS算法的混合单目标优化算法的优化效果最佳。并以此算法为基础对其他安全性指标分别进行单目标优化。(3)建立横风下列车悬挂系统动力学参数优化模型,以轮轴横向力和轮重减载率为优化目标进行高速列车横风下多目标优化。优化结果表明:优化之后的脱轨系数、轮轨垂向力以及轮轴横向力均有较好的收敛效果,轮重减载率有明显的减少趋势。通过对比Pareto加权最优解与初始数据可知:优化之后的头车车体在横向以及垂向的位移均得到有效的改善,车轮的横移量以及抬升量相对初始值均有较大幅度的减小,从而使运行安全性指标得以优化。(4)建立列车在10m桥梁多工况动力学参数的多目标优化模型,开展列车在10m桥梁多工况下多目标优化,结果表明:10m桥梁多工况多目标优化之后的运行安全性指标均有着较好的优化效果;优化之后列车的横移量与抬升量均存在不同程度的减少,进而轮轨力减少,运行安全性得以优化。

关键词：多体系统动力学横风高速列车单目标优化多目标优化

横风下高温超导磁浮列车的气动特性及安全性研究

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横风下高温超导磁浮列车的气动特性及安全性研究

作者：王矩坤西南交通大学

学位级别：硕士

对速度的追求是时代发展的主题之一,在轨道交通领域内更是如此。随着运行速度的提高,传统的轮轨列车会受到弓网极限速度和轮轨粘着等问题的制约,难以在速度上实现显著的突破。与传统轮轨列车不同,高温超导磁浮列车利用其特有的钉扎特性... 详细信息

对速度的追求是时代发展的主题之一,在轨道交通领域内更是如此。随着运行速度的提高,传统的轮轨列车会受到弓网极限速度和轮轨粘着等问题的制约,难以在速度上实现显著的突破。与传统轮轨列车不同,高温超导磁浮列车利用其特有的钉扎特性以非接触的方式实现其悬浮与导向功能,结合直线电机驱动,可以避免轮轨黏着和弓网极限速度等问题,在高速以及超高速应用上具有巨大潜力。然而,在明线环境下运行的高温超导磁浮列车也不可避免的会受到横风作用,使得列车的气动性能极度恶化,严重影响着列车的运行安全性。因此,需要对横风下高温超导磁浮列车的气动特性及安全性进行相关研究,以便为高温超导磁浮列车工程化应用提供参考依据。首先,本文以高温超导磁浮工程化样车为研究对象,基于三维、定常、可压的雷诺平均N-S方程以及SST k-ω两方程的湍流模型,利用STAR-CCM+建立了高温超导磁浮列车的流体仿真模型,并通过网格独立性研究以及ICE2的风洞试验数据开展了网格独立性验证和数值方法验证。结果表明:采用中等网格尺寸所得的结果具有良好的计算精度更适合开展仿真计算;将ICE2缩比模型仿真结果与风洞试验数据的压力系数及各项气动力系数进行对比,发现两者误差较小,间接说明本文的数值方法具有合理性。其次,通过流体仿真软件STAR-CCM+研究了横风环境下高温超导磁浮列车的气动特性。通过数值模拟方法分别探究了不同风向角(0°、45°、90°、135°、180°)、不同运行速度下(400 km/h、450 km/h、500 km/h、550 km/h、600 km/h)、不同横风速度(0 m/s、10.7 m/s、13.8 m/s、17.1 m/s、20.7 m/s)对高温超导磁浮列车气动特性的影响。结果表明:各项气动载荷除了气动阻力外均随风向角增大呈现先增大后减小的变化,而随横风速度增加而增大,但运行速度的增加会使得各项气动载荷均增大。最后,通过动力学仿真软件UM,将流体仿真中所得到的气动荷载加载到各节车的气动荷载简化中心,建立了横风下高温超导磁浮列车的动力学模型。通过数值模拟方法分别探究了不同风向角(0°、45°、90°、135°、180°)、不同运行速度下(400km/h、450 km/h、500 km/h、550 km/h、600 km/h)、不同横风速度(0 m/s、10.7 m/s、13.8 m/s、17.1 m/s、20.7 m/s)对高温超导磁浮列车的安全性影响。结果表明:磁浮列车在风向角为90°时的安全性最差,并且随横风速度和运行速度增大会使得各节车的安全性逐渐变差。

关键词：高温超导磁浮列车横风气动特性运行安全性数值模拟

横风作用下动车组通过挡风墙缺口的气动特性研究

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横风作用下动车组通过挡风墙缺口的气动特性研究

作者：陈冬冬大连交通大学

学位级别：硕士

我国西部每年因列车翻滚事故造成巨大的财政损失以及人员伤亡,因此在铁路沿线修建了挡风墙,在挡风墙中间段设置过渡缺口段以方便工作人员进行维修。然而,强横风会通过缺口处对高速动车组造成严重危害,当动车组运行在挡风墙缺口处,横风... 详细信息

我国西部每年因列车翻滚事故造成巨大的财政损失以及人员伤亡,因此在铁路沿线修建了挡风墙,在挡风墙中间段设置过渡缺口段以方便工作人员进行维修。然而,强横风会通过缺口处对高速动车组造成严重危害,当动车组运行在挡风墙缺口处,横风通过缺口处冲击车体表面,使车体两侧产生压差,致使动车组经过这些地段时,动力学性能超标。因此对列车通过挡风墙缺口处气动特性研究十分重要。本文基于三维、不可压缩、非定常基本控制方程,标准k-ε两方程模型以及动网格技术,应用数值分析方法对强横风作用下动车组过挡风墙缺口处的气动特性进行研究,主要研究内容如下:(1)根据高速列车在兰新高速铁路运行的实际情况,建立了动车组在强横风环境下过挡风墙缺口处的五辆编组计算模型。(2)对在不同的横风工况(恒定与对数分布)下160km/h动车组运行在挡风墙缺口处的气动特性进行数值分析,得到了动车组各节车体表面的压力分布规律和气动系数的变化规律。(3)将200km/h动车组在无横风与横风速度为25m/s两种工况下运行在挡风墙缺口处的气动特性分别进行数值计算,得到了各节车体表面的压力分布规律和气动系数的变化规律,以及动车组头部在缺口处周围流场的速度分布云图。(4)将20m/s横风250km/h动车组运行在挡风墙缺口处的气动特性进行数值计算,得到鼻尖处压力分布规律和气动系数规律。结果表明:(1)动车组通过挡风墙缺口处,各节车体的气动力系数在通过缺口过程中各值达到最大值。(2)三种工况下,动车组通过挡风墙缺口处时,头车的气动力系数均最大,其中横向力系数分别为0.3151、0.1488、0.1148,倾覆力矩系数分别为0.1458、0.0718、0.0503,头车安全性最差。本文所做的工作对高速动车组在强横风环境下通过挡风墙缺口的气动特性具有重要的指导意义,也为空气动力学研究提供了可靠的参考依据。

关键词：数值模拟气动特性动网格挡风墙缺口横风

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横风对篷布气动升力的影响

铁道科学与工程学报 2010年第4期7卷 96-100页

作者：金琦梁习锋熊小慧轨道交通安全教育部重点实验室(中南大学) 湖南长沙410075 中南大学交通运输工程学院湖南长沙410075

基于三维、不可压、定常Navier-Stokes方程和k-ε双方程湍流模型,采用FLUENT流场计算软件,对横风作用下铁路货车D型篷布所受到的气动升力进行数值模拟计算。分析了列车速度和横风风速对篷布气动升力的影响,得出了篷布的气动升力与列车... 详细信息

基于三维、不可压、定常Navier-Stokes方程和k-ε双方程湍流模型,采用FLUENT流场计算软件,对横风作用下铁路货车D型篷布所受到的气动升力进行数值模拟计算。分析了列车速度和横风风速对篷布气动升力的影响,得出了篷布的气动升力与列车速度、横风风速之间的变化关系。研究结果表明:当横风风速一定时,气动升力随列车速度的增加而增大;当列车速度一定时,篷布所受到的气动升力近似与横风风速的平方成正比;数值计算结果与实车试验结果有较好的一致性。

关键词： D型篷布横风气动升力数值模拟计算

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突变阵风对列车动力响应及行车安全性的影响

工程力学 2023年第8期40卷 224-234页

作者：陈宁游星呈汪维安李永乐湖南科技大学土木工程学院湖南湘潭411201 四川省公路规划勘察设计研究院有限公司四川成都610041 西南交通大学桥梁工程系四川成都610031

突变阵风因风速在短时内发生瞬时变化容易对高速列车的行车安全性造成威胁。根据一维多变量非平稳随机过程理论,模拟了空间相关的时变阵风脉动风速场。采用多体动力学软件SIMPACK和有限元分析软件ANSYS,建立了42自由度的刚性列车与柔性... 详细信息

突变阵风因风速在短时内发生瞬时变化容易对高速列车的行车安全性造成威胁。根据一维多变量非平稳随机过程理论,模拟了空间相关的时变阵风脉动风速场。采用多体动力学软件SIMPACK和有限元分析软件ANSYS,建立了42自由度的刚性列车与柔性轨道-桥梁相互作用的刚柔耦合模型,考虑横风向时变阵风的影响,基于刚柔耦合法形成了较为完善的风-列车-轨道-桥梁耦合动力学分析系统。以大跨度拱桥为工程背景,分析了时变阵风在不同车速和风速下对列车和桥梁动力响应特性及行车安全性的影响。结果表明:阵风对桥梁和车辆的动力响应具有重要的影响;在相同条件下考虑阵风影响时,主跨跨中横向位移增幅达到了200%,车辆的轮重减载率、脱轨系数相比于不考虑阵风时增大近30%;在风速大于25 m/s,车速大于80 km/h,轮重减载率将超过安全限值,表明车辆可能发生脱轨。

关键词：桥梁工程风-车-桥系统联合仿真 SIMPACK 横风 “中国帽”阵风